Khái niệm
Nhiệm vụ của móng cọc là truyền tải trọng từ công trình xuống các lớp đất dưới và xung quanh nó. Móng cọc là một trong những loại móng được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Người ta có thể đóng, hạ những cây cọc lớn xuống các tầng đất sâu, nhờ đó làm tăng khả năng chịu tải trọng lớn cho móng.
Lịch sử phát triển
Móng cọc đã được sử dụng rất sớm từ khoảng 1200 trước, những người dân của thời kỳ đồ đá mới của Thụy Sỹ đã biết sử dụng các cọc gỗ cắm xuống các hồ nông để xây dựng nhà trên các hồ cạn (Sower, 1979). Cũng trong thời kỳ này, người ta đóng các cọc gỗ xuống các vùng đầm lầy để chống quân xâm lược, người ta đóng các cọc gỗ để làm tường chắn đất, dùng thân cây, cành cây để làm móng nhà…
Ngày nay, cùng với tiến bộ về khoa học kỹ thuật nói chung móng cọc ngày càng được cải tiến, hoàn thiện, đa dạng về chủng loại cũng như phương pháp thi công, phù hợp với yêu cầu cho từng loại công trình. Sự phát triển của kỹ thuật làm cọc đã sản sinh không ngừng các kiểu cọc mới, điều đó đã mở ra cho việc thiết kế móng cọc nhà đặc biệt là cao tầng một địa bàn rộng rãi, khiến cho người thiết kế có thể lựa chọn được những loại cọc có tính năng kỹ thuật tốt hơn, lợi ích kinh tế cao hơn.
Các bộ phận chính của móng cọc
Móng cọc gồm hai bộ phận chính là cọc và đài cọc.
Cọc
Cọc là kết cấu có chiều dài lớn so với bề rộng tiết diện ngang, được đóng hay thi công tại chỗ vào lòng đất, đá, để truyền tải trọng công trình xuống các tầng đất, đá, sâu hơn nhằm cho công trình bên trên đạt các yêu cầu của trạng thái giới hạn quy định(TCXD 205:1998). Cọc bê tông cốt thép là loại cọc đúc sẵn đưa xuống lòng đất để chịu lực đứng hay lực ngang.
Đài cọc
Đài cọc là kết cấu dùng để liên kết các cọc lại với nhau và phân bố tải trọng của công trình lên các cọc.
Nội lực ở cọc do tải trọng kết cấu phần trên truyền xuống qua hệ đài bản chất sinh ra do chuyển vị tại điểm liên kết cọc với hệ đài. Có thể phân ra làm đài tuyệt đối cứng và đài mềm trong tính toán thiết kế hệ cọc.
Coi đài móng cứng tuyệt đối khi chiều cao đài phải rất lớn (phá hoại cắt trước phá hoại uốn). Dưới tác dụng của tải trọng thì chuyển vị tại các điểm trên mặt cắt ngàm cọc là tuyến tính (hay là mặt cắt ngàm cọc trước phẳng sau vẫn phẳng) do đó thông thường cọc ở vị trí biên sẽ có nội lực lớn nhất.
Lực truyền xuống cọc trong trường hợp đài cọc mềm sẽ đi theo đường ngắn nhất nghĩa là các cọc ngay đưới lõi vách, phản lực lớn hơn rất nhiều so với cọc biên ( so với cách tính thông thường), đặc biệt đứng cho các tổ hợp có momen lớn. Trong khi đó ở trường hợp đài cọc tuyệt đối cứng các cọc biên sẽ chịu lực lớn nhất.
Cấu tạo đài
Đài của móng cọc đơn, móng bè, móng dầm giao thoa và bản đáy của móng hình hộp phải có cấu tạo liên kết với cọc theo các yêu cầu sau đây:
Kích thước cơ bản của đài:
– Khoảng cách từ trung tâm của cột biên tới mép của đài không nên nhỏ hơn đường kính của cột, đường kính hoặc chiều dài cạnh bình quân của cọc, khoảng cách tính từ cọc tới mép đài không nên nhỏ hơn 150mm
– Bề rộng bản đáy của đài cọc hai hàng hoặc đài cọc một hàng không nên nhỏ hơn 2 lần đường kính hoặc chiều dài cạnh cọc, cũng không nên nhỏ hơn 600mm, khoảng cách tính từ mép cọc tới mép đài không nên nhỏ hơn 150mm.
– Độ dày của đài móng cọc phải căn cứ vào yêu cầu của kết cấu bên trên để xác định, và độ
dày này tính từ mặt lớp đệm lên không được nhỏ hơn 300mm, khi đài hình côn, độ dày của
mép đài cũng không được nhỏ hơn 300mm.
Yêu cầu đối với bê tông và đặt thép đài:
Cấp cường độ bê tông không được thấp hơn C15; đường kính cốt thép dọc trong dầm đài không nên nhỏ hơn 12mm, đường kính cốt đứng không nên nhỏ hơn 10mm, đường kính cốt đai không nhỏ hơn 8mm. Đài có dạng bản nên dùng cốt thép chịu lực đường kính tương đối nhỏ, nhưng không dưới 10mm, khoảng cách không nên lớn hơn 200mm, cũng không nên nhỏ hơn 100mm, cốt thép chịu lực ở mặt đáy của đài nên trực tiếp để trên mặt đầu cọc sau khi đầu cọc đã được làm phẳng theo đúng cốt thiết kế.
Yêu cầu liên kết cọc với đài hoặc với bản đáy của móng hộp:
Độ dài phần đầu cọc ngàm vào trong đài hoặc bản đáy của móng hộp không nên nhỏ hơn 50mm. Độ dài cốt thép dọc của cọc kéo vào đài hoặc vào bản đáy của móng hộp lấy theo độ dài neo giữ khi chịu kéo.
Độ dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép đài:
Độ dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép đài không nhỏ hơn 50mm, khi có lớp đệm bê tông thì lớp bảo vệ cốt thép ở bên dưới có thể giảm xuống còn 30mm.
Vị trí dầm kéo của đài cọc
a. Đài cọc phải làm dầm kéo theo 2 chiều vuông góc với nhau, đài cọc đôi phải làm dầm kéo theo chiều ngắn của đài.
b. Mặt đáy của dầm kéo đài nên cùng cốt với mặt đáy của đài. Chiều cao của dầm kéo phải được xác định theo tính toán và không được nhỏ hơn 1/15 khoảng cách trung tâm giữa các đài liền kề, bề rộng không nên nhỏ hơn 200mm. Tiết diện nhỏ nhất của cốt thép dọc chịu kéo của dầm kéo có thể xác định bằng cách lấy 1/10 lực trục lớn nhất của cột mà nó liên kết để làm lực kéo, nhưng không được nhỏ hơn bên trên và bên dưới mỗi bên 2 thanh đường kính 14mm. Đường kính cốt đai không nên nhỏ hơn 8mm, khoảng cách không nên lớn hơn 300mm.
c. Có thể lợi dụng dầm móng đỡ tường bê tông cốt thép hoặc dầm kéo móng khi có thiết kế chống động đất để làm dầm kéo cho đài.
d. Khi thiết kế dầm kéo phải kể đến ảnh hưởng của mômen uốn và mômen xoắn lệch tâm do sai số của vị trí cọc trong thi công gây ra.
Vấn đề tính toán chịu cắt của bản đáy móng cọc bè và cọc hộp
Trong các quy trình, quy phạm hiện hành và một số tài liệu thiết kế có liên quan đều đã nói về yêu cầu cấu tạo và việc tính toán chống chọc thủng, chống cắt và cường độ mặt cắt thẳng…Đặc biệt là tài liệu số đã giới thiệu tương đối chi tiết về tính toán chọc thủng và cắt kéo bản đáy móng cọc bè, cọc hộp dưới tác động của tải trọng đứng. Cần nhấn mạnh là, khi mômen uốn M ở đầu cọc rất lớn mà bản đáy lại không đủ độ dày thì mômen gây ra ứng suất cắt ở bản đáy có thể rất lớn, sau khi cộng tác dụng với ứng suất cắt do lực đứng N nữa thì việc kiểm tra cường độ của nó phải được đặc biệt coi trọng.
Một số ưu điểm và phạm vi áp dụng
Móng cọc sử dụng hợp lý đối với các công trình chịu tải trọng lớn mà lớp đất tốt nằm dưới sâu, giảm được biến dạng lún và lún không đều.
Khi dùng móng cọc làm tăng tính ổn định cho các công trình có chiều cao lớn, tải trọng ngang lớn như các nhà cao tầng, nhà tháp,…
Móng cọc với nhiều phương pháp thi công đa dạng như: cọc đóng, cọc ép, cọc khoan nhồi,…. nên có thể sử dụng làm móng cho các công trình có điều kiện địa chất, địa hình phức tạp mà các loại móng nông không đáp ứng được như vùng có nền đất yếu hoặc công trình trên sông…
Móng cọc được sử dụng rộng rãi trong các ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp, cầu đường, thủy lợi – thủy điện.
Phân loại cọc
Cọc có nhiều loại để phục vụ cho những công trình khác nhau với nhiệm vụ để gia cố nền đất hoặc truyền tải cho móng.
Phân loại theo vật liệu: Cọc gỗ (Cọc tre,Cọc cừ tràm…). Cọc bê tông cốt thép. Cọc thép. Cọc cát. Cọc xi măng đất
Phân loại theo đài cọc
Cọc đài thấp, cọc đài cao
Móng băng cọc, Móng bè cọc
Phân loại theo chiều dài cọc:
Cọc ngắn chiều dài dưới 6m;
Cọc vừa chiều dài khoảng 20÷25m;
Cọc dài trên 25m có thể tới 50, 60m hoặc hơn nữa.
Riêng đối với loại cọc bê tông cốt thép thường dùng phổ biến thì còn chia ra các loại cọc: Cọc ống (cọc rỗng), cọc đặc, cọc bê tông cốt thép thường và cọc bê tông cốt thép dự ứng lực.
Phân loại theo cách chế tạo cọc:
Cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc bê tông cốt thép đổ tại chỗ,…
Cọc bê tông cốt thép đổ tại chỗ có thể chia ra làm hai loại:
Cọc nhồi (Cọc khoan nhồi), cọc khoan nhồi tiết diện nhỏ
Cọc barrette
Phân loại theo biện pháp thi công cọc
Cọc đóng
Cọc ép
Ngoài ra còn có cọc cừ ván thép và cừ ván bê tông cốt thép sử dụng để làm tường chắn đất.
Ứng dụng các loại cọc trong công trình
Cọc tre, cọc cừ tràm
Được sử dụng để gia cố nền đất cho những công trình có tải trọng truyền xuống không lớn hoặc để gia cố cừ kè vách hố đào.
Được sử dụng ở những vùng đất luôn luôn ẩm ướt, ngập nước. Nếu cọc làm việc trong đất luôn ẩm ướt thì tuổi thọ sẽ khá cao (50-60 năm và lâu hơn: ông cha ta thường ngâm tre dưới bùn, khi vớt lên đen vàng óng nhưng chống được mối mọt, dùng làm mái nhà ngày xưa hoặc cột nhà tranh). Nếu cọc tre làm việc trong vùng đất khô ướt thất thường thì cọc rất nhanh chóng bị ải hoặc mục (lúc này lại gây nguy hại cho nền móng).
Thích hợp cho công trình xây chen.
Có đủ khả năng chịu tải trọng của công trình từ 3 đến 5 tầng.
Cọc ép, Cọc khoan nhồi tiết diện nhỏ
Được sử dụng khi phương án móng nông không đáp ứng được về mặt kỹ thuật (không ổn định, biến dạng nhiều) hoặc chi phí xử lý nền trong móng nông quá tốn kém. Có thể do địa tầng chủ yếu gồm các lớp đất yếu phân bố ở phía trên, đất tốt lại nằm sâu phía dưới, hoặc bề dày lớp đất tốt phía trên không đủ lớn, bề dày không ổn định, đất yếu lại phân bố ngay phía dưới với bề dày lớn. Việc chọn giải pháp móng cọc phải có cơ sở, khi tính toán móng nông không đảm bảo kỹ thuật. Sử dụng trong các công trình xây chen, tải trọng không lớn lắm
Cọc xi măng đất, cọc cát
Cọc xi măng đất, cọc cát được dùng trong gia cố nền đất, xử lý đất yếu, chống thấm cho các công trình thuỷ lợi, đặc biệt là nền đất yếu rất dày.
Cọc đóng
Cọc đóng tương tự như Cọc ép nhưng sử dụng trong các công trình xa điểm dân cư, cần thời gian thi công nhanh. Sức chịu tải không lớn lắm.
Cọc nhồi, cọc barrette
Cọc nhồi, cọc barrette được sử dụng trong các công trình có tải trọng lớn. Phương án móng cọc nhồi thường được với nhà cao tầng (thường trên 10 tầng). Cọc barrette có sức chịu tải lớn hơn nhiều so với cọc nhồi (có thể lên hơn 1000T) nên dùng cho những công trình có tải trọng dưới móng rất lớn. Móng barrette thường sử dụng khi kết hợp làm tường vây và thường dùng cho loại nhà có 2 tầng hầm trở lên tuy nhiên giá thành thi công loại móng này thường đắt hơn nhiều(do công nghệ thi công) so với dùng cọc khoan nhồi.
Cọc cừ ván thép, cừ ván bê tông cốt thép
Sử dụng làm tường chắn đất, tường chắn tầng hầm, kè bờ sông, …
Biện pháp thi công móng cọc
Cọc đóng và cọc ép
Trước đây thường dùng “búa” công nghiệp để đóng cọc nhưng vì gây tiếng ồn và chấn động nên đã bị cấm dùng ở nội thành và các khu vực đông dân cư. Cọc ép cũng là cọc bê tông cốt thép nhưng sử dụng máy ép dạng “con đội” để ép cọc xuống lòng đất nhờ đối trọng là những khối bê tông nặng nên tránh được nhược điểm nói trên.
Ngày nay, công nghệ ép cọc có thể tạo được lực ép lên đến 200 tấn thì sức chịu tải (Qa) của cọc đến hơn 100 tấn. Do đó, các công trình xây dựng nhà khoảng 30 tầng đều có thể dùng cọc ép. Với công trình xây chen hay nhà dân dụng thì nên dùng cọc 20x20cm và chiều dài vừa đủ để Qa đạt 10 – 20 tấn là được. Sử dụng cọc nhỏ vừa đủ như vậy là ta dùng đối trọng nhỏ ép, tránh được việc gây ảnh hưởng cho những công trình lân cận. Về chiều dài cọc cũng nên lưu ý là cọc ép không thể xuyên qua lớp cát chặt, đắt sét chặt lẫn laterit dày hơn 2m. Ðã có vài công trình thiết kế cọc dài hơn 20m, đến khi thi công chỉ ép được 5 – 7m rồi phải tìm cách khoan qua lớp đất tốt để đưa cọc xuống theo chủ quan của thiết kế. Thực chất có thể chọn cọc dài 5 – 7m là đủ. Thời gian chờ cọc “nghỉ” nên chọn hơn 30 ngày kể từ khi ép cho đến khi thử tĩnh (ép chậm để thử lực chịu tải của cọc). Phải thử tĩnh cho đến khi cọc tụt hoặc lún hơn 40cm; không nên tự chọn một lực giới hạn nào rồi chủ quan dừng lại ở lực này dù cọc lún rất ít. Sau khi có kết quả thử tĩnh, ta xác định được sức chịu tải của cọc và chiều dài cọc, từ đó mới làm và ép cọc chính xác, hợp lý.
Cọc khoan nhồi, cọc barrette
Công nghệ thi công cọc nhồi bê tông hay bê tông cốt thép là công nghệ đúc cọc bê tông tại chỗ vào trong nền đất (cast-in-place concrete pile).
Trong hơn mười năm qua, công nghệ cọc khoan nhồi đã được áp dụng mạnh mẽ trong xây dựng công trình ở nước ta. Hiện nay, ước tính hàng năm chúng ta thực hiện khoảng 50 ÷ 70 nghìn mét dài cọc khoan nhồi có đường kính 0,8 ÷ 2,5m, với chi phí khoảng 300 ÷ 400 tỷ đồng.
